PENGARUH JENIS SERAT TERHADAP KUAT TARIK DAN KUAT BENTURAN PADA MATERIAL KOMPOSIT RESIN EPOKSI

Transkripsi

1 PENGARUH JENIS SERAT TERHADAP KUAT TARIK DAN KUAT BENTURAN PADA MATERIAL KOMPOSIT RESIN EPOKSI Herry Purnama 1, Joko Purnomo 1, Tri Yogo Wibowo 2 1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura Surakarta Telp. (0271) ext Pusat Teknologi Agroindustri, Badan Pengkajian Penerapan dan Teknologi Jl. MH. Thamrin 8 Jakarta hp269@ums.ac.id Abstrak Telah dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jenis serat terhadap kuat tarik dan kuat benturan pada material komposit menggunakan resin epoksi. Material komposit memiliki banyak keunggulan, yaitu berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi, dan tahan korosi. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui sifat campuran resin epoksi yang mempunyai kekuatan lebih baik dari berbagai bahan serat (serat karbon, gelas, selulosa asetat, dan selulosa palmitat). Pengujian sifat-sifat mekanik komposit yang dihasilkan menggunakan Universal Testing Machine LARYEE WDW-10. Berdasarkan hasil percobaan dan analisis yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa komposit serat karbon mempunyai kuat tarik dan kuat benturan yang lebih tinggi dari pada serat lainnya yang disebabkan oleh sifatnya yang memiliki specific modulus dan specific strength yang tinggi dibandingkan serat yang lainnya. Serat karbon juga menunjukkan daya rekat yang paling baik dengan resin epoksi. Selain itu penggunaan serat asetat dan serat palmitat ternyata kurang baik untuk penguat komposit yang diperuntukkan untuk menerima beban. Kata kunci: komposit; epoksi; serat; kuat tarik; kuat benturan Pendahuluan Akhir-akhir ini penggunaan bahan polimer dan komposit semakin meningkat seiring dengan peningkatan kebutuhan di berbagai bidang kehidupan, misalnya penggunaan material baru untuk komponen bodi kendaraan bermotor baik eksterior maupun interior, bagian bodi kapal laut (boat), bagian bodi pesawat terbang, berbagai peralatan olah raga seperti ski dan golf-stick, beragam komponen peralatan pertanian, dan lain-lain. Material komposit didefinisikan sebagai perpaduan dua material yang berbeda dan digabungkan atau dikombinasikan dalam skala makroskopis (dapat terlihat langsung oleh mata) sehingga menjadi material baru yang lebih berguna [Callister, 2004]. Material komposit terdiri atas dua bagian utama, yaitu matriks (material penyatu) dan filler (pengisi). Matriks berfungsi untuk perekat atau pengikat dan pelindung filler dari kerusakan eksternal. Matriks yang umum digunakan adalah polimer, keramik, dan logam. Filler berfungsi sebagai penguat dari matriks. Filler yang umum digunakan biasanya berupa serat, partikel, dan lamina (lapisan sangat tipis). Bahan pengisi inilah yang menentukan karakteristik suatu bahan, keuletan, kekakuan dan sifat mekanik yang lain. Pengisi berbentuk partikel (serbuk) akan menahan sebagian besar gaya yang bekerja pada material komposit, sedangkan komposit mengikat partikel, melindungi, dan meneruskan gaya antar partikel. Oleh karena itu untuk bahan pengisi dipilih bahan yang kaku, keras dan getas seperti karbon, gelas, dan boron. Sedangkan matriks dipilih bahan yang lunak seperti plastik dan logam lunak seperti aluminium, tembaga, dsb. [Akovali, 2001]. Bahan komposit berpenguat serat banyak diaplikasikan untuk alat-alat yang membutuhkan material yang mempunyai perbedaan sifat dasar, yaitu kuat sekaligus ringan. Perkembangan teknologi komposit belakangan ini mulai beralih dari komposit dengan material penyusun sintetis menuju ke bahan komposit dengan material penyusun dari bahan alami, baik material untuk matriks maupun dengan serat (penguat) itu sendiri. Penelitian pun sudah dilakukan untuk mendapatkan bahan alam yang layak untuk digunakan sebagai alternatif pengganti bahan-bahan sintetik penyusun komposit. Serat alami mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan serat sintetis. Keunggulan dari serat alami adalah non-abrasive, densitas rendah, harga lebih murah, ramah lingkungan, dan tidak membahayakan kesehatan. Penggunaan serat alami sebagai filler dalam komposit dimaksudkan untuk lebih menurunkan biaya bahan baku dan peningkatan nilai salah satu produk pertanian [Fajar, 2008]. Serat alami merupakan bahan terbarukan dan mempunyai kekuatan yang relatif tinggi dan tidak menyebabkan iritasi kulit. Kelebihan lainnya adalah kualitasnya dapat divariasikan dan memiliki stabilitas panas yang rendah. K-64

2 Sifat-sifat kuat tarik, regangan tarik, dan modulus dari bahan-bahan alami yang dapat dijadikan sebagai penguat dalam material komposit dapat dilihat pada Tabel 1 berikut. Berdasarkan data di bawah, nilai rata-rata kuat tarik yang paling tinggi untuk bahan-bahan tersebut di atas dimiliki oleh serat pisang sebesar 600 MPa, sedangkan nilai kuat tarik terendah adalah untuk serat kurma (date L) sebesar 309 MPa. Meskipun demikian, nilai rata-rata kuat tarik tersebut tidak selalu diikuti dengan nilai regangan tarik maupun maupun kuat modulus. Menurut Oksman [2003], serat bambu, date L, dan palem memberikan kuat tarik yang sangat tinggi dengan regangan cukup kecil. Tabel 2.Tensile properties of various natural fibers [Rao dan Rao, 2005] Average tensile strength (MPa) Average tensile modulus (GPa) Specific tensile strength (MPa)/(kg -3 ) Specific tensile modulus (MPa)/(kgm -3 ) Name of the fiber % Tensile strain Vakka 3, ,85 0, ,56 Date (L) 2, ,32 0, ,41 Date (A) 24, ,91 0,4781 1,99 Bamboo (M) 1, ,91 0, ,47 Bamboo (C) 1, ,67 0, ,10 Palm 13, ,75 0,3660 2,67 Coconut 20, ,50 0,4348 2,17 Banana 3, ,85 0, ,22 Sisal 5, ,40 0,3910 7,17 Dalam penelitian ini digunakan filler berupa serat karbon, gelas, selulosa asetat, dan selulosa palmitat. Jenis pengikat yang digunakan adalah resin epoksi yang merupakan suatu kopolimer yang mudah diperoleh dan digunakan oleh masyarakat umum maupun industri skala kecil dan besar. Resin epoksi juga mempunyai kemampuan berikatan dengan serat alam tanpa menimbulkan reaksi dan gas. Epoksi merupakan sebuah polimer epoxide thermosetting yang akan bertambah bagus apabila dicampur dengan sebuah agen katalis (hardener). Pada umumnya resin epoksi dibuat dari reaksi antara dua mol epichlorohydrin dan satu mol bisphenol-a sehingga membentuk bisphenol-a diglycidyl ether yang biasa disingkat dengan BADGE. Struktur resin epoksi bisphenol-a diglycidyl ether: n menyatakan banyaknya angka polimerisasi sub-unit dan umumnya memiliki angka antara 0 sampai 25. Gambar 2. Struktur resin epoksi BADGE Komposit Komposit dapat diklasifikasikan menurut matriks yang digunakan, dan juga struktur kompositnya. Berdasarkan matriks yang digunakan, komposit dapat dibedakan menjadi: a. MMC (Metal Matrix Composite) atau komposit menggunakan matriks logam. MMC merupakan salah satu jenis kelompok komposit yang memiliki matriks logam. Keunggulan MMC antara lain temperatur operasi lebih tinggi, tidak mudah terbakar, dan tahan terhadap solven organik. Umumnya digunakan untuk komponen mesin mobil dan industri ruang angkasa. b. CMC (Ceramic Matrix Composite) atau komposit yang menggunakan matriks ceramic. CMC adalah matriks yang terdiri dari dua material dengan salah satu material berfungsi sebagai reinforcement kemudian material yang lain sebagai matriks, yang terbuat dari keramik. Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, nitride. c. PMC (Polymer Matrix Composite) atau komposit yang menggunakan matriks polymer. PMC merupakan matriks yang paling umum digunakan pada material pembuatan komposit karena memiliki sifat yang lebih tahan karat dan jauh lebih ringan. K-65

3 Matriks polimer terbagi menjadi dua, yaitu polimer termoset dan polimer termoplastik. Perbedaannya, pada polimer termoset tidak dapat didaur ulang sedangkan untuk polimer termoplastik dapat didaur-ulang yang menyebabkan polimer jenis termoplastik lebih banyak digunakan. Untuk dapat dibuat menjadi material komposit, polimer harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: a. Polimer harus linier dan mempunyai berat molekul lebih dari , akan tetapi tidak boleh terlalu besar karena sukar dilelehkan atau dilarutkan. b. Molekul polimer harus simetris dan dapat mempunyai gugus samping yang besar sehingga dapat mencegah terjadinya susunan yang rapat. c. Polimer harus memberi kemungkinan untuk mendapatkan derajat orientasi yang tinggi. d. Polimer harus mempunyai gugus polar yang letaknya teratur untuk mendapatkan kohesi antar molekul yang kuat dan titik leleh yang tinggi. Serat Serat atau fiber adalah suatu jenis bahan yang berupa potongan-potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh. Serat dibedakan menjadi dua, yaitu serat alam (natural fiber) dan serat sintetis (synthetic fiber). Serat alami meliputi serat yang diproduksi oleh tumbuh-tumbuhan, hewan, dan proses geologis (mineral). Serat alam tumbuhan dapat diperoleh dari serat selulosa yang diperoleh dari bulu benih, batang, dan daun tanaman (tanaman pisang, bambu, nanas, rosela, kelapa, kenaf, lalang, dan lain-lain). Serat alam hewan diperoleh dari protein rambut, bulu binatang, dan kepompong. Serat alam mineral dapat berupa basal, mineral wool, glass wool, crystalline dan asbes [Robert, 2005]. Serat jenis alami ini bersifat dapat mengalami pelapukan. Sedangkan serat sintetis adalah serat buatan yang diolah kembali dengan mesin atau bahan-bahan kimia dengan campuran serat alam. Serat buatan yang sering dijumpai di kehidupan sehari-hari antara lain adalah nilon, akrilik, gelas, karbon, dan lain-lain. Pada dasarnya serat berfungsi sebagai penguat bahan, yaitu untuk memperkuat komposit sehingga sifat-sifat mekaniknya lebih kaku, tangguh dan lebih kokoh bila dibandingkan dengan bahan tanpa serat penguat. Di samping itu serat juga berfungsi untuk menghemat penggunaan resin. Arah serat penguat akan menentukan kekuatan dari komposit, arah serat sesuai dengan arah kekuatan maksimum. Arah serat juga mempengaruhi jumlah serat yang dapat diisikan ke dalam matriks. Semakin cermat penataannya, maka akan semakin banyak penguat yang dapat masuk dan akan semakin kuat pula komposit tersebut. Apabila ditata sejajar akan berpeluang sampai 90%, bila separuh dan saling tegak lurus peluangnya 75%, dan dengan tatanan acak hanya berpeluang sekitar 15 50%. Dan hal tersebut akan menentukan kekuatan optimum dari komposit saat komposit berada dalam keadaan yang maksimum [Surdia, 2005]. Skema penyusunan arah serat dapat dilihat pada Gambar 2 berikut. Gambar 2. Skema penyusunan serat (a) continuous fibres, (b) discontinuous fibres, (c) random discontinuous fibres Pada Gambar 2 terdapat pemasangan serat yang berbeda beda. Untuk Gambar (a) serat tersebut diisikan dengan posisi memanjang tanpa ada pemutusan serat, dan Gambar (b) menunjukkan serat diisikan dengan posisi memanjang tetapi ada pemutusan, kemudian untuk Gambar (c) menunjukkan serat diisikan secara acak. Pengisian tersebut akan membedakan kekuatan dari komposit untuk Gambar (a) kekuatannya sekitar 90%, Gambar (b) mempunyai kekuatan 75%, kemudian untuk Gambar (c) mempunyai kekuatan sekitar 50%. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan komposit dengan posisi serat memanjang tanpa ada pemutusan serat. Serat yang digunakan adalah karbon, gelas, selulosa asetat, dan selulosa palmitat. Serat karbon (carbon fiber) komersial dibuat dari dua macam material awal (precursor) yaitu textile precursor dan pitch precursor (Nugroho, 2007). Untuk textile precursor yang umum digunakan adalah polyacrylonitrile (PAN). Sedangkan pitch adalah hasil samping dari petroleum refining atau coal coking, sehingga harganya lebih murah dari PAN. Pembuatan serat karbon melalui beberapa proses seperti pemanasan, spinning, K-66

4 karbonisasi dan grafitisasi, sehingga membuat harga serat karbon cukup mahal. Bentuk serat karbon di pasaran ada tiga macam yaitu serat panjang, serat pendek (6 50mm), dan serbuk ( μm). Serat karbon memiliki sifat-sifat sebagai berikut: (1) memiliki modulus spesifik dan kekuatan spesifik yang paling tinggi di antara seluruh jenis penguat, (2) tahan oksidasi, (3) pada suhu ruang tidak dipengaruhi oleh uap air atau pelarut lainnya, dan (4) struktur karbon tidak seluruhnya kristalin, tetapi terdiri dari daerah grafit dan daerah kristalin. Daerah non-kristalin adalah daerah di mana terjadi ketidakteraturan dari susunan heksagonal karbon, yang merupakan karekteristik struktur grafit. Serat gelas (glass fiber) adalah bahan yang tidak mudah terbakar. Serat jenis ini biasanya digunakan sebagai penguat matrik jenis polimer. Komposisi kimia serat gelas sebagian besar adalah SiO 2 dan sisanya adalah oksida oksida aluminium (Al), kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), dan unsur-unsur lainnya [Santoso, 2002]. Menurut Nugroho [2007], serat gelas dapat dibedakan menjadi beberapa macam antara lain: (1) serat E-glass, yaitu salah satu jenis serat gelas yang dikembangkan sebagai penyekat atau bahan isolasi, dan serat ini mempunyai kemampuan bentuk yang baik, (2) serat C-glass, yaitu jenis serat gelas yang mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi, dan (3) serat S-glass, yaitu jenis serat gelas yang mempunyai kekakuan yang tinggi. Serat selulosa asetat (cellulose acetate) termasuk serat sintetis yang pertama dibuat dan berbasis selulosa pulp (biopolimer). Namun dalam perkembangannya fungsi serat jenis ini digantikan oleh serat berbasis minyak bumi seiring dengan harganya yang lebih murah. Sifat-sifat serat selulosa asetat antara lain termoplastik, absorpsi selektif, mudah berikatan dengan plasticizer, larut dalam solven, hidrofilik, dan memiliki luas permukaan yang besar. Serat selulosa palmitat (cellulose palmitate) umumnya memiliki sifat kelenturan yang baik. Selain itu juga dapat digunakan untuk memisahkan racemic mixture dari ibuprofen dengan rasio pemisahan yang sangat baik [Nurhayati, 2007]. Sebagai membran, selulosa palmitat memiliki kekuatan benturan yang rendah. Metodologi Penelitian dilakukan dengan mengambil data percobaan pada pengujian material komposit. Peralatan yang dibutuhkan adalah (1) alat cetakan yang terbuat dari kaca, (2) roller yang digunakan untuk meratakan dan memadatkan cetakan komposit agar tidak ada udara yang tersisa di campuran komposit, dan (3) kuas yang digunakan untuk mengambil campuran epoksi dan hardener. Sedangkan bahan-bahan yang diperlukan adalah berbagai jenis serat (gelas, karbon, selulosa palmitat dan selulosa asetat), resin epoksi, hardener, aseton sebagai pembersih dan wax sebagai pelapis kaca. Pada percobaan pembuatan resin epoksi ini ditambahkan hardener dengan perbandingan epoksi : hardener = 2:1. Kemudian dibuat material komposit menggunakan roller. Selanjutnya dilakukan pencetakan spesimen pengujian tarik maupun kelenturan sesuai dengan ASTM D-3039 dan D-790. Alat yang digunakan untuk menguji sampel adalah LARYEE Universal Testing Machine WDW-10. Dari hasil pengujian mesin uji ini akan diperoleh hubungan antara gaya tarik terhadap pertambahan panjang yang langsung tertera di grafik dan hasilnya dapat langsung ditransfer ke Excel. Hasil dan Pembahasan Pembuatan sampel komposit dengan resin epoksi dan hardener dilakukan dengan menambahkan jenis serat tertentu (sekitar 6 12 buah) dengan arah serat memanjang tanpa adanya pemutusan pada serat tersebut. Sebelum dilakukan pengukuran kekuatan, terlebih dahulu dilakukan pemotretatan morfologi serat yang hasilnya dapat dilihat pada Gambar 3. Material komposit yang dihasilkan kemudian dilakukan pengukuran sesuai standar uji (ASTM) untuk mendapatkan data kekuatan tarik, kekuatan lentur dan kekuatan benturan. Sesuai dengan berbagai jenis serat yang digunakan, Tabel 2 menunjukkan data hasil pengukuran material komposit yang telah dilakukan untuk uji kekuatan tarik. Sedangkan Tabel 3 menunjukkan data hasil pengukuran untuk uji kekuatan benturan. Berdasarkan Tabel 2 di atas, dapat disimpulkan bahwa komposit dengan bahan penguat serat karbon memiliki kekuatan tarik yang lebih besar dibandingkan bahan komposit yang lain. Karbon merupakan serat dengan kemampuan yang sangat baik dan paling banyak digunakan sebagai penguat dalam komposit polimer. Hal ini disebabkan oleh keunikan serat karbon yang memiliki specific modulus dan specific strength yang paling tinggi di antara semua fiber penguat. Serat karbon juga tetap memiliki tensile modulus dan tensile strength yang tinggi pada temperatur tinggi, meskipun pada temperatur tinggi ada kemungkinan masalah oksidasi. Menurut Nugroho [2007], serat karbon komersial yang dibuat dari dua macam material (textile precursor dan pitch precursor) memiliki kekuatan yang sangat tinggi, mempunyai modulus tarik GPa. Selain itu pada temperatur kamar, serat karbon tidak dipengaruhi oleh uap air, berbagai solven, asam, dan basa. Dari Tabel 2 di atas juga dapat diketahui bahwa material komposit berbahan penguat serat palmitat memiliki kekuatan lentur yang tinggi dibandingkan bahan komposit yang lain. Menurut Nurhayati [2007] selulosa palmitat mempunyai kekuatan lentur yang baik dan mempunyai kekuatan benturan yang rendah. K-67

5 a. karbon b. gelas c. selulosa palmitat d. selulosa asetat Gambar 3. Morfologi komposit dengan berbagai jenis serat (a) karbon (b) gelas, (c) selulosa palmitat, (d) selulosa asetat Tabel 2. Hasil pengukuran kuat tarik bahan komposit dari berbagai jenis serat No Jenis serat Hasil pengukuran Tensile strength (MPa) Elongation at break (%) 1 Karbon 116,8 ± 28,8 3,66 ± 0,65 2 Gelas 113,0 ± 10,8 3,42 ± 0,25 3 Selulosa Palmitat 32,99 ± 1,99 3,80 ± 0,37 4 Selulosa Asetat 24,88 ± 3,42 2,40 ± 0,29 Tabel 3. Hasil pengukuran kuat benturan bahan komposit dari berbagai jenis serat No Jenis serat Hasil pengukuran Impact strength (kj/m 2 ) 1 Karbon 77,64 ± 9,19 2 Gelas 62,55 ± 10,77 3 Selulosa Palmitat 32,48 ± 8,50 4 Selulosa Asetat 15,90 ± 8,75 Berdasarkan data Tabel 3 di atas, komposit berbahan penguat serat karbon memiliki kekuatan benturan yang paling tinggi diikuti oleh komposit berpenguat serat gelas. Selain tahan oksidasi, menurut Santoso [2002], serat karbon memiliki modulus spesifik dan kekuatan spesifik yang paling tinggi di antara seluruh jenis penguat. Serat gelas yang digunakan dalam percobaan adalah jenis E-glass. Serat gelas ini mempunyai kekuatan yang tinggi dari pada serat gelas jenis yang lain (meskipun masih lebih rendah dari serat karbon) dan harganya relatif murah. Serat asetat dibuat dengan meleburkan asetat dicampurkan ke dalam aseton kemudian dicetak di tempat yang telah disediakan. Menurut Supandi dkk. [2009] kekuatan serat asetat dalam keadaan kering sekitar 1,4 gram/denier dengan kekuatan lentur 25%, sedangkan pada keadaan basah sekitar 0,9 gram/denier dengan kekuatan lentur 35%. Penarikan mulur sekitar 5% akan kembali ke panjang semula, tetapi jika lebih maka tidak akan kembali ke panjang semula. Untuk serat selulosa palmitat, bahan komposit yang dihasilkan akan mempunyai rasio lentur yang baik akan tetapi kekuatan hantamnya rendah [Nurhayati, 2007]. K-68

6 Kesimpulan Berdasarkan hasil percobaan dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Komposit serat karbon mempunyai kuat tarik dan kuat benturan yang lebih tinggi dari pada serat lainnya yang disebabkan oleh sifatnya yang memiliki specific modulus dan specific strength yang tinggi dibandingkan serat yang lainnya. 2. Daya rekat antara serat dengan epoksi yang paling bagus dimiliki oleh serat karbon. 3. Penggunaan serat asetat dan serat palmitat ternyata kurang baik untuk penguat komposit yang diperuntukkan untuk menerima beban bending karena justru mengurangi ikatan antar matriks. Daftar Pustaka Akovali, Güneri, (2001), Handbook of Composite Fabrication, Rapra Technology Ltd. Shrewsbury, Shropshire SY4 4NR, UK. ISBN: ASTM D-3039, (2001), Standard Test Method for Tensile Properties For Polimer Matrix Composite Materials, American Society for Testing and Materials, Philadelphia Callister, William D., Jr., (2004), Materials Science and Engineering: An Introduction, 6th ed., John Wiley & Sons, Inc. Fajar, S.N., (2008), Optimasi Kekuatan Bending dan Impact Komposit Berpenguat Serat Ramie Bermatrik Polyester Bqtn 157 terhadap Fraksi Volume dan Tebal Skin. Jones, Robert M., (2005), Mechanics of Composite Materials 2nd ed., Taylor & Francis Inc. 325 Chestnut Street, Philadelphia, PA Nugroho, (2007), Proses Produksi Pembuatan Mikrocar dari Bahan Komposit Nurhayati, (2007), Uji Kemampuan Selulosa Palmitat pada Pemisahan Campuran Enansiomer, Skripsi FMIPA UNJ Jakarta Oksman, K., Skrifvars, M., Selin J-F., (2003), Natural Fiber as Reinforcement in Polylactic Acid (PLA) Composites, Composites science and technology 63, hal Rao, K.M.Mohan, dan Rao, K.Mohana, (2005), Extraction and Tensile Properties of Woven Banana Fiber Reinforced Epoxy Composites, Elsevier Ltd, Material and Design Santoso, (2002), Pengaruh Berat Serat Chopped Strand terhadap Kekuatan Tarik, Bending, dan Impak Supandi, dkk., (2009), Pengetahuan Tekstil, PKK FPTK UPI, Bandung. Surdia, (1992), Pengetahuan Bahan Teknik, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. K-69